Заложенная геометрия патча с зондовым питанием

Уложенная накладка содержит две накладки несколько различных размеров, расположенные друг над другом вдоль оси z и разделенные диэлектрическим материалом. Оба участка центрированы относительно опорной плоскости. Зазор между нижней накладкой и опорной плитой также заполнен диэлектрическим материалом. Верхний или нижний патч приводится в действие коаксиальным зондом при использовании в одной конфигурации подачи. Вид геометрии в плане показан на эскизе.

Определение единиц измерения

Определите стандартные единицы измерения расстояния, частоты и сопротивления, а также их мультипликативные эквиваленты для этого примера.

meter = 1;
hertz = 1;
ohm = 1;
mm = 1e-3*meter;
GHz = 1e9*hertz;

Размеры антенны

Размеры антенны приведены в [1] для прямоугольной стопки с зондовым питанием с двумя слоями подложки. Имена переменных идентичны названиям, упомянутым в [1] и запрещающим имена базовых плоскостей. Для этого примера выбирается квадратная опорная плоскость размером, в три раза превышающим длину верхнего участка. Размеры двух патчей выбраны так, чтобы максимизировать полосу пропускания импеданса, и рекомендации приведены в [1] для проектирования таких патч-антенн вместе с анализом чувствительности. Для моделируемой геометрии верхний сегмент немного больше нижнего.

L1 = 13.5*mm;
W1 = 12.5*mm;
L2 = 15*mm;
W2 = 16*mm;
d1 = 1.524*mm;
d2 = 2.5*mm;
xp = 5.4*mm;
r_0 = 0.325*mm;
Lgnd = 3*L2;
Wgnd = 3*L2;

Создание форм слоев и подложек

Слои Используйте форму прямоугольника из каталога для создания трех слоев металла, необходимых для уложенного фрагмента, а именно для верхнего фрагмента, нижнего фрагмента и опорной плоскости. Все слои центрируются относительно начала координат. Постройте график границ слоев для подтверждения их размеров и положений.

pU = antenna.Rectangle('Length',L2,'Width',W2);
pL = antenna.Rectangle('Length',L1,'Width',W1);
pGnd = antenna.Rectangle('Length',Lgnd,'Width',Wgnd);
figure
plot(pGnd)
hold on
plot(pU)
plot(pL)
grid on
legend('Groundplane','Upper patch','Lower patch','Location','best')

Диэлектрические подложки В этом примере размещенная в стопке пластырь-антенна имеет диэлектрическую подложку между верхней и нижней пластырями, а также между нижней пластырем и опорной плоскостью. Нижняя накладка имеет более высокую относительную диэлектрическую проницаемость, чем верхняя накладка. Это подразумевает свободную электрическую связь между двумя накладками.

epsr_1 = 2.2;
tandelta_1 = 0.001;
dL = dielectric;
dL.Name = 'Lower sub';
dL.EpsilonR = epsr_1;
dL.LossTangent = tandelta_1;
dL.Thickness = d1;

epsr_2 = 1.07; 
tandelta_2 = 0.001;
dU = dielectric;
dU.Name = 'Upper sub';
dU.EpsilonR = epsr_2;
dU.LossTangent = tandelta_2;
dU.Thickness = d2;

Создание модели пакета исправлений

Создайте модель распределенной антенны с помощью pcbStack. Назначьте слои начиная с самого верхнего слоя, в этом случае металлический слой для верхнего сегмента и перейдите к самому нижнему слою, который является опорной плоскостью. Зонд-питание задается между нижней накладкой и плоскостью заземления. Чтобы повысить точность модели, переключаем модель подачи на сплошной столбец, аппроксимируемый квадратной формой. Модель подачи по умолчанию представляет собой полосу, в которой используется приближение полосы к цилиндру.

p = pcbStack;
p.Name = 'Stacked patch - Waterhouse';
p.BoardShape = pGnd;
p.BoardThickness = d1+d2;
p.Layers = {pU,dU,pL,dL,pGnd};
p.FeedLocations = [xp 0 3 5];
p.FeedDiameter = 2*r_0;
p.FeedViaModel = 'square';
figure
show(p)

Анализ импеданса

Проанализируйте импеданс накладки в диапазоне частот 6-9 ГГц. Уложенная в стопку структура накладки в этом диапазоне должна демонстрировать два близко расположенных параллельных резонанса. Перед анализом выполните сетку структуры.

fmax = 9*GHz;
fmin = 6*GHz;
deltaf = 0.125*GHz;
freq = fmin:deltaf:fmax;
mesh(p,'MaxEdgeLength',.01,'MinEdgeLength',.003)

figure
impedance(p,freq)

Уложенная сетка-заплатка

Анализ импеданса в диапазоне частот 6-9 ГГц приводит к автоматической генерации сетки на самой высокой частоте. Сетка состоит из треугольников, которые дискретизируют все металлические поверхности антенны и тетраэдры, которые дискретизируют объем диэлектрических подложек. Постройте график сетки для металлических поверхностей и диэлектрических поверхностей.

figure
mesh(p,'view','metal')

figure
mesh(p,'view','dielectric surface')

Следует отметить, что в этой патч-антенне используется модель подачи колонки с боковыми стенками квадратной формы, приближенными к цилиндрической подаче. Используйте металлическую сетку, чтобы получить более близкий вид этой структуры подачи.

Коэффициент отражения

Так как антенна возбуждается коаксиальным зондом, вычислите коэффициент отражения на входе относительно 50-омного опорного импеданса.

Zref = 50*ohm;
s = sparameters(p,freq,Zref);
figure
rfplot(s,1,1)
title('S_1_1')
xlabel('Frequency (Hz)')
ylabel('Magnitude (dB')

figure
smplot = smithplot(s);
smplot.TitleTop = 'Input Reflection Coefficient';
smplot.LineWidth = 3;

Результаты для коэффициента отражения очень хорошо совпадают с результатами эксперимента, приведенными в [1]. Наличие двойного резонанса в поведении импеданса оказывает влияние на поведение диаграммы направленности антенны.

Вариации массива в области данных

Широкая полоса пропускания импеданса, наблюдаемая в результате анализа порта вставленного сегмента, будет оказывать влияние на картину излучения в дальнем поле. Чтобы понять это, постройте график диаграммы направленности в дальнем поле этой антенны на 2 выемках на графике коэффициента отражения - 6,75 ГГц и 8,25 ГГц.

patternfreqs = [6.75*GHz, 8.25*GHz];
freqIndx = arrayfun(@(x) find(freq==x),patternfreqs);
figure
pattern(p,freq(freqIndx(1)))

figure
pattern(p,freq(freqIndx(2)))

Реализованное изменение коэффициента усиления в диапазоне

Рисунок относительно стабилен при более высоких углах возвышения, близких к зениту. Однако следует отметить, что излучение в направлении горизонта и заднего контура, по-видимому, растет на более высоком частотном конце диапазона 6-9 ГГц. Эти результаты объясняют потери в диэлектрике, но не несоответствия импедансов, которые могут существовать в точке подачи. Чтобы понять эффект несоответствия импеданса, вычислите реализованный коэффициент усиления в зените и сравните его с коэффициентом усиления.

D = zeros(1,numel(freq));
az = 0;
el = 90;
for i = 1:numel(freq)
    D(i) = pattern(p,freq(i),az,el);
end

Коэффициент усиления графика

h = figure;
plot(freq./GHz,D,'-*','LineWidth',2)
xlabel('Frequency (GHz)')
ylabel('Magnitude (dBi)')
grid on
title('Gain Variation With Frequency')

Вычислить коэффициент несоответствия

gamma = rfparam(s,1,1);
mismatchFactor = 10*log10(1 - abs(gamma).^2);

Вычислить реализованный прирост

Gr = mismatchFactor.' + D;
figure(h)
hold on
plot(freq./GHz,Gr,'r-.')
legend('Gain','Realized Gain','Location','best')
title('Variation of Gain and Realized Gain with Frequency')
hold off

Резюме

Экспериментальные результаты конструкции пакетного патча, представленные в [1], хорошо согласуются с результатами анализа, показанными в этом примере. Кроме того, антенна обладает хорошей стабильностью в изменении коэффициента усиления, близком к зениту, с более высокими изменениями формы вблизи горизонта и областей заднего хода. Максимальный реализованный коэффициент усиления в зените достигается на нижнем и верхнем частотных концах диапазона 6 - 9 ГГц, особенно на отметках коэффициента входного отражения, где совпадение является лучшим. В диапазоне 7-9 ГГц видно, что реализованный коэффициент усиления падает только примерно на 0,6 дБ. Пониженные значения реализованного усиления ниже 6,5 ГГц и выше 8,5 ГГц обусловлены несоответствием импеданса.

Ссылки

[1] Р. Б. Уотерхаус, «Дизайн пакетных патчей с зондовым питанием», в IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 47, no. 12, pp. 1780-1784, Dec. 1999.

[2] D.Orban и G.J.K.Moernaut, Основы патч-антенн, Обновленные, Микроволновые продукты Orban.

[3] К. А. Баланис, 'теория антенны. Анализ и дизайн, "стр. 514, Уайли, Нью-Йорк, 3-е издание, 2005